01 第一章真空技术基础.pdf

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1、出版说明根据国务院关于高等学校教材工作的规定，我部承担了全国高等学校和中等专业学校工科电子类专业教材的编审、出版的组织工作。由于各有关院校及参与编审工作的广大教师共同努力，有关出版社的紧密配合，从 19781990 年，已编审、出版了三个轮次教材，及时供给高等学校和空等专业学校教学使用。为了使工科电子类专业教材能更好地适应“三个面向”的需要，贯彻国家教委（高等教育“八五”期间教材建设规划纲要）的精神，“以全面提高教材质量水平为中心，保证重点教材，保持教材相对稳定，适当扩大教材品种，逐步完善教材配套”，作为“八五”期间工科电子类专业教材建设工作的指导思想，组织我部所属的九个高等学校教材编审委员会

2、和四个中等专业学校专业教学指导委员会，在总结前三轮教材工作的基础上，根据教育形势的发展和教学改革的需要，制订了 19911995 年的“八五”（第四轮）教材编审出版规划。列入规划的，以主要专业主干课程教材及其辅助教材为主的教材约 300 余种。这批教材的评选推荐和编审工作，由各编委会或教学指导委员会组织进行。这批教材的书稿，其一是从通过教学实践、师生反应较好的讲义中经院校推荐，由编审委员会（小组）评选择优产生出来的，其二是在认真遴选主编人的条件下进行约编的，其三是经过质量调查在前几轮组织编写出版的教材中修编的。广大编审者、各编审委员会（小组）、教学指导委员会和有关出版社，为保证教材的出版和提高

3、教材的质量，作出了不懈的努力。限于水平和经验，这批教材的编审、出版工作还可能有缺点和不足之处，希望使用教材的单位，广大教师和同学积极提出批评和建议，共同为不断提高工科电子类专业教材的质量而努力。机械电子工业部电子类专业教材办公室1前言本教材系电子工业部的工科电子类专业教材 19911995 年编审出版规划，由电子材料与固体器件教材编审委员会电子材料与元器件教材编审小组征稿并推荐出版。责任编委为恽正中教授。本教材由电子科技大学杨邦朝、天津大学王文生合编，上海交通大学陈益新教授担任主审。本教材的参考学时数为 6070 学时。本书系按照“电子材料与元器件”教材编审组提出的教学要求编写而成，其内容大体

4、上分为薄膜基本制造技术与薄膜物理基础两大部分。考虑到这两方面的内容既紧密相关又相对独立，属于不同的范畴。因此，在内容安排上采取以分为主，又注意二者之间的相互渗透与结合。薄膜技术部分重点介绍各种制膜技术与原理，薄膜厚度分布计算，膜厚测试与监控等。薄膜物理部分则重点介绍薄膜的形成过程，薄膜的特殊结构与缺陷，薄膜的电学、磁学、力学及半导体性质等。使这两部分相对独立的学科知识，能有机的结合与统一，以达到教材编审组的基本编写要求。另外，考虑到薄膜术与真空技术关系密切，在本书中增加了一章真空技术基础知识，各校可根据先修课程的情况使用本书时作适当增删处理。书中表示压强的国际单位（S1）应为帕（Pa），但为照

5、顾使用习惯、现有仪器面板及引用前人实验数据，采取帕和托（Torr）并用的办法。薄膜技术在工业上得到广泛应用，特别在电子材料与元器件工业领域中占有极为重要的地位。要获得各种性能的薄膜，必须掌握各种成膜技术和薄膜物理的内容。长期以来本专业缺乏此类教材，因而，本书的出版可满足这一需求。在本教材的编写过程中力求概念清晰，叙述深入浅出，注意原理与技术的联系，理论与技术相结合。学习并掌握了本书所介绍的内容，基本上可适应有关科研与生产工作的需要。薄膜物理与薄膜技术均是正在发展的学科与技术，有关薄膜的性质，薄膜形成机理的某些内容还处于探讨中，薄膜技术也在不断发展与完善之中。因此，本书只能着重介绍薄膜物理与薄膜

6、技术的基本内容，不可能对这两大部分的广阔而丰富的内容作全面而详尽的论述。本书为电子材料与元器件专业本科专业基础教材，也可供物理电子技术、半导体物理与器件、应用物理、敏感材料与传感器等专业的本科生和研究生，以及从事薄膜材料、薄膜物理、薄膜技术和电子材料与元器件、混合微电子技术等厂所的工程技术人员使用和参考。本教材由杨邦朝编写 l6 章，王文生编写 79 章，由杨邦朝对全书统稿。本书在编写过程中曾得到电子科技大学曲喜新教授、恽正中教授、西安电子科技大学徐毓龙教授、上海交通大学刘公强副教授、天津大学李哲副教授等的支持与热情帮助，他们为本书提出了不少宝贵意见，刘志刚同志协助抄写第七、八、九章书稿，在这

7、里表示诚挚的感谢。并向本书所引用和参考的许多书籍和论文的作者致以深切的谢意。在本书出版过程中得到电子科技大学出版社的大力支持与帮助，特表示衷心的感谢。由于编者水平有限，书中难免还存在一些缺点和错误，殷切希望广大读者批评指正。编者1993 年 3 月于电子科技大学2第一章真空技术基础真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等常称为物理气相沉积（Physical V apor Deposition，简称PVD 法）是基本的薄膜制作技术。它们均要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。所以，掌握真空的基本知识是必要的。1-1真空的基本知识一

8、、真空及其单位所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。当气体处于平衡时，可得到描述气体性质的气体状态方程，即P knT（1-1）或PV mMRT（1-2）32式中，P 为压强（Pa）；n 是气体分子密工（个/m），V 为体积（m）；M 为气体分子量（kg/mol）；m 是气体质量（kg）；T 是绝对温度（K）；k 是玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）；R 为气体普适常数（8.314J/molK），也可用 R=NAk 来表示，NA是阿伏伽德罗常数（6.02310个/mol）。于是，由式（1-1）可得n 7.2 102223PT（个/m3）（1-3）由式

9、（1-3）可知，在标准状态下，任何气体分子的密度约为31010个/cm3。即使在P=1.310-11Pa(110-13Torr)这样很高的真空度时，T=293K，则 n=4103个/cm3。因此，所谓真空是相对的，绝对的真空是不存在的。通常所详的真空是一种“相对真空”。在真空技术中对于真空度的高低，可以用多个参量来度量，最常用的有“真空度”和“压强”。此外，也可用气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分子层所需的时间等来表示。“真空度”和“压强”是两个概念，不能混淆，压强越低意味着单位体积中气体分子数愈少，真空度愈高，反之真空度越低则压强就越高。由于真空度与压强有关，所以真空的度量单位是

10、用压强来表示。在真空技术中，压强所采用的法定计量单位是帕斯卡（Pascal），系千克米秒制单位，简称帕（Pa），是目前国际上推荐使用的国际单位制（SI）。托（Torr）这一单位在最初获得真空时就被采用，是真空技术中的获特单位。两者的关系为1Torr=133.322Pa。目前在实际工程技术中几种旧的单位（Torr，mmHg，bar，atm）仍有采用，另外，完全改变以前的试验数据并不容易，因而压强单位也采用 Torr。现将几种旧的单位与 Pa 之间的转换关系介绍如下：毫米汞柱（mmHg）1mmHg=133.322Pa；托（Torr）1Torr=1760atm=133.322Pa；atm 表示 标准

11、大 气压，毫 米汞柱 与托 在本质 上是 一回事，二 者几 乎相等（1mmHg=1.00000014Torr），只是采用帕来定义标准大气压省略了尾数的缘故。1巴（bar）1bar=10 Pa。二、真空区域的划分为了研究真空和实际应用方便，常把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个等级。随着真空度的提高，真空的性质将逐渐变化，并经历由气体分子数的量变到真空质变的过程。1粗真空（110 110 Pa）在粗真空状态下，气态空间的特性和大气差异不大，气体分子数目多，并仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁，气体分子的平均自由程很短。通常，在此真空区域，使用真空技术的主要目的是为了获得压力差，而不

12、要求改变空间的性质。电容器生产中所采用的真空浸渍工艺所需的真空度就在此区域。2低真空（110 110 Pa）此时每立方厘米内的气体分子数为 10 10个。气体分子密度与大气时有很大差别，气体中的带电粒子在电场作用下，会产生气体导电现象。这时，气体的流动也逐渐从粘稠滞流状态过渡到分子状态，这时气体分子的动力学性质明显，气体的对流现象完全消失。因此，如果在这种情况下加热金属，可基本上避免与气体的化合作用，真空热处理一般都在低真空区域进行。此外，随着容器中压强的降低，液体的沸点也大为降低，由此而引起剧烈的蒸发，而实现所谓“真空冷冻脱水”。在此真空区域，由于气体分子数减少，分子的平均自由程可以与容器尺

13、寸相比拟。并且分子之间的碰撞次数减少，而分子与容器壁的碰撞次数大大增加。3高真空（110-1110-6Pa）此时气体分子密度更加降低，容器中分子数很少。因此，分子在运动过程中相互间的碰撞很少，气体分子的平均自由程已大于一般真空容器的线度，绝大多数的分子与器壁相碰撞。因而在高真空状态蒸发的材料，其分子（或微粒）将按直线方向飞行。另外，由于容器中的真空度很高，容器空间的任何物体与残余气体分子的化学作用也十分微弱。在这种状态下，气体的热传导和内摩擦已变得与压强无关。4超高真空（110-6Pa）此时每立方厘米的气体分子数在 1010个以下。分子间的碰撞极少，分子主要与容器壁相碰撞。超高真空的用途之一是

14、得到纯净的气体，其二，是可获得纯净的固体表面。此时气体分子在固体表面上是以吸附停留为主。利用真空技术可获得与大气情况不同的真空状态。由于真空状态的特性，真空技术已广泛用于工业生产、科学实验和高新技术的研究等领域。电子材料、电子元器件和半导体集成电路的研制与生产与真空技术有着密切的关系。三、气体与蒸气在实际工程中，常会碰到各种气态物质。对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度。利用临界温度来区分气体与蒸气。温度高于临界温度的气态物质称气体，低于临界温度的气态物质称为蒸气。但通常以室温为标准来区分气体和蒸气。表 1-1 列出了各种物质的

15、临界温度。从该表看出，氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室温，所以在常温下它们是“气体”。二氧化碳的临界温度与室温接近，极易液化。而水蒸气、有机物质和气态金属均为蒸气。表 1-1各种物质的临界温度物质氮（N2）氢（H2）氖（Ne）16132-1525临界温度（）267.8241.0(33.23K)228.0(44.43K)2物质氩（Ar）氧（O2）氪（Kr）临界温度（）122.4(150.71K)118.0(154.77K)62.5(209.38K)氦（He）空气乙醚氨（NH3）酒精水（H2O）汞（Hg）147.0(126.25K)140.0194.0132.4243.0374.214

16、50.0氙（Xe）二氧化碳（CO2）铁（Fe）甲烷（CH4）氯（Cl2）一氧化碳（CO）14.7(289.74K)31.03700.082.514.40140.21-2稀薄气体的基本性质在真空技术中所遇到的是稀薄气体，这种稀薄气体在性质上与理想气体差异很小。因此，在研究稀薄气体的性质时，可不加修正地直接应用理想气体的状态方程。由式（1-1）大气层描述的气体状态方程反映了气体的 P、V、T、m 四个量之间的关系。该方程在特殊情况下，即可推导出有名的理想气体定律。（1）波义定律一定质量的气体，在恒定温度下，气体的压强与体积的乘积为常数。即PV=C（1-4）或P1V1=P2V2（1-5）（2）盖吕萨

17、克定律一定质量的气体，在压强一定时，气体的体积与绝对温度成正比。V=CT（1-6）或V V0T0T（1-7）（3）查理定律一定质量的气体，如果保持体积不变，则气体的压强与绝对温度成正比。P=CT（1-8）或P P0T0T（1-9）一、气体分子的速度分布在一定容器中的气体分子处于不断的运动状态，它们相互间及和器壁之间无休止地频繁碰撞。各个分子的速度（大小和方向）是不相同的，在稳态时可满足一定的统计分布规律，通常称为麦克斯韦-玻尔兹曼分布。即在平衡状态下，当气体分子间的相互作用可以忽略时，分布在任一速度区间 vvdv 内分子的几率为dNm 4N2kT3/2exp(mv2/2kT)v dv（1-10

18、）2式中，N容器中气体分子总数；m气体分子质量；T气体温度（K）；k玻尔兹曼常数。3显然，在不同的速度 v 附近取相等的间隔，比率 dN/N 的数值一般是不同的。比率 dN/N 与速度 v 有关，与 v 的函数关系成正比，即dNN f(v)dv（1-11）即速度分布函数为mf(v)42kT3/2exp(mv22/2kT)v（1-12）该函数表示分布在速度 v 附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率，也叫做麦克斯韦速率分布定律。麦克斯韦速率分布曲线如图 1-1 所示，该曲线也反映了气体分子速度随温度的变化情况。图 1-1麦克斯韦速率分布曲线根据这种规律可从理论上推得分子速率在 vm处有极有大

19、值，于是vm被称为最可几速度，其值为vm2kTm2RTM 1.41RTM（cm/s）（1-18）气体分子的平均速度为va8kT8RT 1.59RTMmM（cm/s）（1-14）气体分子的均方根速度为vr3kTm3RTM 1.73RTM（cm/s）（1-15）由此可见，三种速度中，均方根速度 vr最大，平均速度 va之次，最可几速度vm最小。这三种速度在不同的场合有各自的应用。在讨论速度分布时，要用到最可几速度；在计算分子运动的平均距离时，要用到平均速度；在计算分子的平均动能时，则要采用均方根速度。二、平均自由程气体分子处于不规则的热运动状态，它除与容器壁发生碰撞外，气体分子间还经常发生碰撞。每

20、个分子在连续两次碰撞之间的路程称为“自由程”。这是一个描述气体性质的微观参量。其统计平均值1242n（1-16）称为“平均自由程”。由此可知，平均自由程与分子密度 n 和分子直径的平方是反比关系。根据式（1-1），上式可改写为kT22（1-17）P此式表明，气体分子的平均自由程与压强成反比，与温度成正比。显然，在气体种类和温度一定的情况下 P 常数（1-18）在 25 的空气情况下 P 0.667（cmPa）或0.667P（cm）（1-19）三、碰撞次数与余弦散射律单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数称为入射频率，用表示。其数值与器壁前的气体分子密度 n 成正比，而且分子的平均速

21、度 va越大v 也越大，则有14nva（1-20）式（1-20）称为赫兹-克努曾（Hertz-Knudsen）公式，它是描述气体分子热运动的重要公式。根据式（1-1）和式（1-14），则可得到单位时间碰撞单位固体表面分子数的另一表达式例如，对于 20 的空气，则有P2mkT（1-21）v20 2.86 1018P（个/cm s）（1-22）2式中 P 的单位为帕（Pa）。对于 25 的空气，根据式（1-3）、（1-19）、（1-21）对上述参数之间关系的计算结果如图1-2 所示。表 1-2 列出了与镀膜有关的一些重要气体的性质。从该表可知，在 1.3310-4Pa 的压力下镀膜时，若以 501

22、00/min 的速度进行气体分子的入射，只要经过 12 秒钟即可淀积成单层分子层。5图 1-2几个真空概念之间关系（25，空气）表 1-2气体的性质数值气体氢氧氩氮空气水蒸气化学符号H2O2ArN2H2O分子量M2.032402829182844质量m(10-23g)平均速度分子直径va(104)cm/s,016.94.33.84.54.55.74.53.6平均自由程在 1.3310-4Pa 时(10-8cm,0)2.83.63.73.83.74.93.84.7(cmpa,碰撞次数 形成单分单分子层25)厚度分子数(014个/子层的时14(10 个(nm/min)2cm)间(s)/cm2)15

23、.13.83.44.04.05.04.03.21.02.32.52.02.11.12.01.715.38.78.68.18.35.38.05.316.39.58.711.310.826.811.516.80.35.36.64.74.83.04.77.31.20.720.710.670.680.450.670.45一氧化碳CO二氧化碳 CO2上面介绍了气体分子向固体表面的入射碰撞，下面介绍气体分子从表面的反射问题。根据克努曾对低气压气体流动的研究，以及对分子束反射的研究都证明了下述的余比定律成立。即碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布

24、。则一个分子在离开其表面时，处于立体角d（与表面法线成角）中的几率为ddp cos（1-23）式中1/是由于归一化条件，即位于2立体角中的几率为 1 而出现的。分子从表面反射与飞来方向无关这一点非常重要。它意味着可将飞来的分子看成一个分子束从一个方向飞来，亦可看成按任意方向飞来，其结果都是相同的。余弦定律（又称“克努曾定律”）的重要意义在于：（1）它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方向，即将分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射；（2）分子在固体表面要停留一定的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要的实际意义。1-3真空的获得真空系统的种类繁多，

25、典型的真空系统应包括：待抽空的容器（真空室）、获得真空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空计）以及必要的管道、阀门和其他附属设备。能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵常称为“前级泵”，另一些却只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵常称为“次级泵”。对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（P=0），而是具有一定的压强Pu，称为极限压强（或极限真空），这是该系统所能达到的最低压强，是真空系统能否满足镀膜6需要的重要指标之一。第二个主要指标是抽气速率，指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。从理论上讲，任何一个真空系统所能达到的真空度可由下列方程确定（1-

26、24）式中，Pu是真空泵的极限压强（Pa），S 是泵的抽气速率（L/s），Pi是被抽空间气体的分压强（Pa），Q 是真空室内的各种气源（PaL/s），V 是真空室的体积（L），t 是时间（s）。真空泵是一个真空系统获得真空的关键。表 1-3 列出了常用真空泵的排气原理、工作压强范围和通常所能获得的最低压强。图 1-3 示出了几种常用真空泵的抽速范围。可以看出，至今还没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空。因此，通常是将几种真空泵组合使用，如机械泵扩散系统和吸附泵溅射离子系钛升华泵系统，前者为有油系统，后者为无油系统。表 1-3主要真空泵的排气原理与工作范围工作压强范围种类原理油封机械泵（单级

27、）机油封机械泵（双级）利用机械力压缩械分子泵和排除气体泵罗茨泵蒸气水银扩散泵靠蒸气喷射的动量喷油扩散泵把气体带走射油喷射泵泵利用溅射或升华形干溅射离子泵成吸气、吸附排除钛升华泵气体式吸附泵利用低温表面对气冷凝泵体进行物理吸附排泵冷凝吸附泵除气体图 1-3几种真空泵的抽速比较71单级旋片泵2溅射离子泵3双极旋片泵4罗茨泵5扩散泵6分子泵一、机械泵常用机械泵有旋片式、定片式和滑阀式等。其中旋片式机械泵噪声较小，运行速度高，应用最为广泛。其结构主要由定子、旋片和转子组成，这些部件全部浸在机械泵油中，转子偏心地置于定子泵内，如图 1-4 所示。其工作原理建立在玻-马洛特定律基础上，如图 1-5所示。由

28、于压强与体积的乘积等于一个与温度有关的常数。因此，在温度一定的情况下，容器的体积就与气体的压强成反比。图 1-5 示出了机械泵转子在连续旋转过程中的两个典型位置。一般旋片将泵腔分为三个部分：从进气口到旋片分离的吸气空间：由两个旋片同泵壁分隔出的膨胀压缩空间和排气阀到旋片分隔的排气空间。图中（1）表示正在吸气，同时把上一周期吸入的气体逐步压缩；图中（2）表示吸气截止。此时，泵的吸气量达到最大并将开始压缩；图中（3）表示吸气空间另一次吸气，而排气空间继续压缩；图中（4）表示排气空间内的气体，已被压缩到当压强超过一个大气压时，气体便推开排气阀由排气管排出。如此不断循环，转子按箭头方向不停旋转，不断进

29、行吸气、压缩和排气，于是与机械泵连接的真空容器便获得了真空。图 1-4单级旋片式机械泵的结构图 1-5旋片式机械泵工作原理如果待抽容器的体积为 V，初始压强为 P0，转子第一次旋转所形成的空间体积为V（见图 1-5）。则根据玻义耳定律，旋片转过一周后，待抽空间的压强 P1降低为P1 P0VV V或P1(V V)P0V（1-25）经过 n 个循环后VPn P0（1-26）V Vn由此可以看出，只有在泵室大而被抽容积小，即V/V 越大，获得 Pn所需时间才越短；n越大 Pn越小，理论上n 时，Pn 0，但这在实际上是不可能的。当 n 足够大时，Pn8只会达到某一极限值 Pu，这是因为泵在结构上总是

30、存在着“有害空间”的缘故。所谓有害空间是指出气口与转子密封点之间的极小空隙空间。设每秒转子旋转 m 次，则 t 秒钟转子旋转的次数为n mt（1-27）这时待抽容器的压强 Pt降低为VPt P0V Vmt（1-28）或P0V 1 PtVmt（1-29）由此可见P0/Pt可以随容器内压强 Pt的减小而增加。对于一定的机械泵及待抽容器，其 m、V 及V均为常数，所以lgP0V mt lg1 Kt（1-30）PV式中K m lg1 V 也是一个常数。对于实际的泵而言，该式只有在Pt极限真V空度时才适用。把这一公式作成曲线。如图 1-6 所示。图 1-6机械泵的工作特性曲线为减小有害空间的影响，通常采

31、用双级泵。该泵由两个转子串联构成，以一个转子空间的出气口作为另一个转子空间的进气口。这样便可使极限真空从单级泵的 1Pa 提高到 10-2Pa数量级。目前，国内外生产的机械泵一般都是双级泵。由于泵的转子和定子全部浸泡在油箱内，因此机械泵油的作用很重要，对机械泵油的基本要求是饱和蒸气压低，要具有一定的润滑性和粘度，以及较高的稳定性。国产 1 号真空泵油适用于多种类型机械泵，在 20时饱和蒸气压小于 110 Pa，50时粘度为 510 Pa s。表 1-4 2X 旋片机械泵性能参数型号2X-0.52X-12X-2-3-2抽速（L/s）0.512极限真空（Pa）关气镇阀6.710-26.710-26

32、.710-29配用电动机功率（kW）0.180.250.4进气口直径（mm）101520开气镇阀6.710-16.710-16.710-12X-42X-82X-152X-302X-702X-150481530701506.7106.7106.710-2-26.7106.710-26.710-2-2-26.7106.7106.710-106.7106.71006.7100-1-10.61.12.24.57.514.02532506580125使用机械泵抽除带有水蒸气的混合气体时，蒸气分压强也会在压缩过程中同样逐渐增大。当蒸气分压强增大到饱和蒸气压，而总压强还不足以推开排气阀所需的压强时，蒸气就会

33、凝结成水，并与机械泵油混合形成一种悬浊液，这将使泵油质量严重破坏，影响油的密封、润滑作用，并能使泵壁锈蚀。为此常常使用气镇泵，即在靠近排气口的地方开一小孔，在气体尚未压缩之前，由小孔渗入一定量的干燥空气，协助打开排气阀门，让水蒸气在未凝结之前被排除泵外。显然，气镇泵对极限真空度稍有影响。表 1-4 列出了国产 2X 型旋片机械泵的基本参数。二、扩散泵扩散泵是利用被抽气体向蒸气流扩散的现象来实现排气作用的。扩散泵的结构示意有工作原理如图 1-7 所示。当扩散泵油被加热后会产生大量的油蒸气，油蒸气沿着蒸气导管传输到上部，经伞形喷嘴向外喷射出来。由于喷嘴外的压强较低，于是蒸气会向下喷射出较长距离，形

34、成一高速定向的蒸气流。其射流的速度可高达 200m/s 左右，且其分压强低于扩散泵进气口上方被抽气体的分压强，两者形成压强差。这样真空室内的气体分子必然会向着压强较低的扩散泵喷口处扩散，同具有较高能量的超音速蒸气分子相碰撞而发生能量交换，驱使被抽气体分子沿蒸气流方向高速运动并被带出口处，被机械泵抽走，而从喷嘴射出的油蒸气流喷到水冷的泵壁冷凝成液体，流回泵底再重新被加热成蒸气。这样，在泵内保证了油蒸气的循环，使扩散泵能连续不断的工作，从而使被抽容器获得较高的真空度。图 1-7扩散泵的结构及工作原理根据扩散泵理论，扩散泵的极限压强为10nvL Pu PLexp D（1-31）0式中，PL为前级真空

35、泵压强；n 是蒸气分子密度；L 是蒸气流从泵的进气口到出气口的扩散长度；D0=ND=常数，D 为蒸气中气体分子的扩散系数，可由D va/3计算得到；v 为油蒸气在喷口处的速度，可近似认为v 1.60 104TM（cm/s）（1-32）式中，M 是油蒸气的分子量。因 v、n、D0、L 等均为正值，故 PL/Pu总是大于 1 的，此比值称扩散泵的压缩比。由式（1-31）可知，如果蒸气流速 v 和扩散长度 L 愈大，以及气体分子的扩散系数 D 愈小，由此喷射所产生的压缩比就愈高。则在一定的前级压强下经扩散泵抽气后所得的极限压强就愈低。另外，由于Pu与前级真空泵压强 PL成正比，所以为了提高扩散泵的极

36、限真空，选配性能好的前级泵也十分重要。扩散泵的抽气速率 SJ与其进气口直径 d 有以下关系SJ 11.7Hd42（L/s）（1-33）式中，H 为抽速系数，它等于泵的实际抽速与理论最大抽速之比，一般为 0.5 左右。扩散泵的实际抽速 S 为S QPL Pu（1-34）式中，Q 为扩散泵每秒抽走气体的量（PaL/s）；PL是扩散泵入口气体的总压强（Pa）；Pu为扩散泵的极限压强（Pa）。在实际应用中，扩散泵的抽速可按下列简单的经验公式来进行计算，十分简便可靠。S (3 4)d（L/s）（1-35）2扩散泵必须与机械泵配合使用才能组成高真空系统，单独使用扩散泵是没有抽气作用的。经验指出，扩散泵的口

37、径一般是镀膜钟罩的三分之一，而扩散泵的抽速大约为钟罩容积的 45 倍，由此便可选择合适抽速的机械泵。扩散泵油是扩散泵的重要工作物质，泵油应具有较好的化学稳定性（无毒、无腐蚀）、热稳定性（在高温下不分解）、抗氧化性和具有较低的饱和蒸气压（10-4Pa）以及在工作时应有尽可能高的蒸气压。几种常用扩散泵油的性能列于表 1-5。表 1-5几种国产扩散泵油技术性能种类扩散泵油扩散泵油扩散泵硅油扩散泵硅油增压泵油代号KB-1KB-2274275分子量粘度（cp,50）350350484546330656538（25）65（25）1.511外观淡黄淡黄无色无色水白色蒸气压（Pa,20）5.310-65.31

38、02.610-6410-3-6极限压强（Pa,20）3.310-53.3108.010-63.010-6_-4油蒸气向真空室的返扩散会造成膜层污染。如无阻挡装置，返油率可高达 10 mg/cm s。因此，常在进气口安装水冷挡板或液氮冷阱，返油率可大大降低，约为原来的 1/101/1000。三、分子泵与罗茨泵当气体分子碰撞到高速移动的固体表面时，总会在表面停留很短的时间，并且在离开表面时将获得与固体表面速率相近的相对切向速率，这就是动量传输作用。涡轮分子泵就是利用这一现象而制成的，即它是靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口，由前级泵抽走，而使被抽容器获得超高真空的一种机械真空泵。分子泵的

39、结构如图1-8 所示。分子泵的主要特点是：启动迅速，噪声小，运行平稳，抽速大，不需要任何工作液体。罗茨泵又称机械增压泵，如图 1-9 所示，它是具有一对同步高速高旋转的 8 字形转子的机械真空泵。它既应用分子泵的原理，又利用油封机械泵的变容积原理制成。-32图 1-8涡轮分子泵示意图图 1-9罗茨泵及其工作原理1外壳2定子3转子罗茨泵的特点是：转子与泵体、转子与转子之间保持一不大的间隙（约 0.1mm），缝隙不需要油润滑和密封，故很少有油蒸气污染；由于这一结构，转子与泵体、转子与转子间没有摩擦，故允许转子有较大的转速（可达 3000 转/分）；此外，罗茨泵还具有启动快，振动小，在很宽的压强范围

40、内（1.331021.33Pa）具有很大的抽速等特点。罗茨泵的极限压强可达 10-4Pa(双级泵)。罗茨泵必须和前级泵串联使用。1-4真空的测量为了判断和检定真空系统所达到的真空度，必须对真空容器内的压强进行测量。但在真空技术中遇到的气体压强都很低，要直接测量其压力是极不容易的。因此，都是利用测定在低气压下与压强有关的某些物理量，再经变换后确定容器的压强。当压强改变时，这些和压强有关的特性也随之变化的物理现象，就是真空测量的基础。任何具体的物理特性，都是在某一压强范围内才最显著。因此，任何方法都有其一定的测量范围，这个范围就是该真空计的“量程”。目前，还没有一种真空计能够测量从大气到10-10

41、Pa 的整个领域的真空度。真空12计按照不同的原理和结构可分成许多类型。表 1-6 列出几种真空计的主要特性。下面对在薄膜技术中常用的真空计作一介绍。表 1-6几种真空计的工作原理与测量范围名称U 形管压力计水银压缩真空计电阻真空地热偶真空计热阴极电离真空计B-A 型真空计潘宁磁控电离计气体放电管一、热偶真空计热偶真空计是利用低压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。当压强较高时，气体传导的热量与压强无关，只有当压强降到低真空范围，才与压强成正比。电源加热灯丝产生的热量 Q 将以如下三种方式向周围散发，即辐射热量 Q1、灯丝与热偶丝的传导热量 Q2以及气体分子碰撞灯丝而带走的热 Q3。

42、即Q=Q1+Q2+Q3（1-36）热平衡时，灯丝温度 T 为一定值。此时，Ql与 Q2为恒量，只有 Q3才随气体分子对灯丝的碰撞次数而变化，即与气体分子数有关，或与气体压强有关。压强愈高，气体分子数多，碰撞次数多，灯丝被带走的热量就多，灯丝温度变化就大。利用测定热丝电阻值随温度变化的真空计称为热阻真空计（图 1-10），直接用热电偶测量热丝温度的真空计叫做热偶真空计（图 1-11）。热电偶有镍铬康铜、铁康铜或铜康铜等。热偶真空计应用十分广泛，热丝表面温度的高低与热丝所处的真空状态有关。真空度高，则热丝表面温度高（和热丝碰撞的气体分子少），热电偶输出的热电势也高；真空度低，则热丝表面温度低（和热

43、丝碰撞的气体分子多，带走的热量较多），热电偶输出的电动势也小。二、电离真空计电离真空计是目前测量高真空的主要仪器。它是利用气体分子电离的原理来测量真空度。根据气体电离源的不同，又分为热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计，前者应用极为普遍，其结构如图 1-12 所示，与一只真空三级管类似。在稀薄气体中，灯丝发射的电子经加速电场加速，具有足够的能量，在与气体分子碰撞时，能引起气体分子电离，产生正离子和次级电子。电离几率的大小与电子的能量有关。电子在一定的飞行路途中与分子碰撞的次数（或产生的正离子数），与气体分子密度成正比，因为P=nkT，故在一定温度下，亦即比例于气体压强 P。或者说产生的正离子数亦

44、正比于压强P。因此，根据电离真空计离子收集极收集离子数的多少，就可确定被测空间的压强大小，这就是电离真空计的工作原理。根据以下公式可估算出电离计中离子电流与气体压强的关系。设电子从阴极飞到加速极的总路程长度为 L（cm），则离子电流 Ii（mA）与压强之间的关系为IiIeWLP（1-37）工作原理利用大气与真空压差根据玻义耳定律利用气体分子热传导利用热电子电离残余气体利用磁场中气体电离与压强有关的原理利用气体放电与压强有关的性质测 量 范 围（Pa）10510-210 1010410（10）10 1010-110-1011010 13-5-2-33-4-1-613图1-10热阻真空计图1-11

45、热偶真空计图1-13 DL-2型热阴极r电阻1，2毫安表Pt加热铂丝A，B热电偶丝电离真空计规管3开关4电源5电位器O热电偶接点Rv可变电阻6接真空系统式中，Ie为阴极（灯丝）的发射电流（常定为 5mA）；W 为 P=1Pa 时每个电子飞行 1cm 所产生的电子离子对数，称为电离效率，是电子能量的函数。考虑到电子在飞行途中能量有所变化，则上式应改写为nIi IeWiLiP（1-38）i1式中，Li为路程 L 分别为 n 段时第i 段的长度；Wi为 L 路程中第 i 段电子能量的函数。再考虑到并非所有电子和离子都被收集，如部分电子和离子会到达管壁，则式（1-38）应修正为nIi IeWi1iLi

46、P（1-39）式中，、分别为 Ii和 Ie的修正系数。于是可将上式改写为IiIeIi IeKP或 KP（1-40）K 为常数，称电离真空计的灵敏度，其意义为在单位电子电流和单位压强下所得到的离子电流值，单位为 1/Pa，一般通过实验确定，通常为 440。当Ie为常数时有Ii IeKP CP（1-41）即得离子流仅与压强成正比，因此只要测出此时离子流，经电路放大后，就可转换为压强刻度在表头上表示。热阴极电离真空计的测量范围一般为 10-110-6Pa（见图 1-13）。在压强大于 10-1Pa 左右14时，虽然气体分子数增加，电子与分子的碰撞数增加，但能量下降，电离几率降低，所以当压强增加到一定程度时电离作用达到饱和，使曲线偏离线性，故测量的上限为 10 Pa。-1图 1-13离子电流与压强的关系在低压强下（小于 10 Pa），具有一定能量的高速电子打到加速极上，产生软 X 射线，当其辐射到离子收集极时，将自己的能量交给金属中的自由电子，会使自由电子逸出金属而形成光电流，导致离子流增加，即这时由离子收集极测得的离子流是离子电流与光电流二者之和，当二者在数值上可比拟时，曲线也将偏离线性。故 10 Pa 就成为测量的下限压强值。B-A 型电离真空计将收集极改成针状，把灯丝放在加速极外边，使收集极受软 X 射线照射的面积减小，于是可测量更高的真空度（10Pa）-10-6-615